工业技术 嵌岩桩的承载特性与承载力计算模式分析① 肖辉椿’・ （１．福建省第八地质大队 福建龙岩 ３６４０００；２．福建马坑矿业股份有限公司 福建龙岩 ３６４０ １ ２） 摘要：嵌岩桩是在端承桩的基础上发展起来的，在计算嵌岩桩承裁力时，过去常忽略覆盖层的佣阻力，将嵌岩桩作为直接传递荷裁给基 岩的受压柱看待，荷裁全部由桩端承担。本文通过对嵌岩桩的长径比大小 上覆土层特性、嵌岩段的岩性．及成桩工艺（有无沉渣）等分 析，得到嵌岩桩不一定是端承桩的概念，从而改变了人们对嵌岩桩承裁特性的认识：即嵌岩桩的长度越长，长径比越大，上覆土层越硬，嵌 岩深径比越大，嵌入岩体越深，嵌岩桩的承裁性状越表现为摩擦型桩，而离端承桩也越来越远。并对现行的几种嵌岩桩承裁力的计算模 式进行分析。 关键词：嵌岩桩 承裁特性 承载力计算模式 中图分类号：ＴＵ７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２０１０）０３（ｂ）－Ｏ０９８－０３ 嵌岩桩，顾名思义就是桩端嵌入岩石 桩作为端承桩进行设计；另一方面是不适 端承桩、端承摩擦桩，甚至是摩擦桩。 一定深度的桩，特别是大直径嵌岩桩由于 当地增加嵌岩深度或不考虑基岩的软硬程 具有承载力大、单桩沉降及群桩沉降小、抗 度而采用扩底，从而造成工期延长、施工难 １嵌岩桩的承载特性 震性能好、并能充分利用基岩承载能力及 度增加以及不必要的浪费。进入９０年代以 按承载性状分类将桩分为摩擦桩和端 混凝土抗压强度等特点，在建筑、市政、公 后，对于大直径嵌岩桩的单桩竖向荷载研 承桩两种，由桩侧摩擦力支承荷载的称为 路铁路桥梁、港口码头等工程领域中得到 究较多，尤其是桩周土侧阻力与桩端阻力 摩擦桩，由桩端阻力支承荷载的称为端承 广泛的应用，在基岩埋藏深度不深的地区， 的分配关系，不少专家学者做过大量的工 桩。嵌岩桩的承载特性与桩的长径比、上覆 采用大直径桩经济效益显著。但是在实际 作【１－１ｏ］。随着试桩资料和实测资料的增加， 土层性质与厚度、嵌岩段的岩性、嵌入深度 工程中，由于对嵌岩桩承载特性与荷载传 以及对嵌岩桩的试验研究和大量的工程实 及成桩工艺（有无沉渣）等有关：当桩端有较 递机理缺乏足够的认识，导致在嵌岩桩设 践，得到了许多研究成果，人们在工程中已 好的持力层，有一些端阻力，但在极限承载 计与承载力取值方面存在一些误区，即一 认识到，嵌岩桩的侧阻力不能忽视，有时可 力状态下，桩顶荷载主要由上覆土层提供 方面不管嵌岩桩的长径比大小、上覆土层 以成为平衡外荷载的主要反力，因此，嵌岩 的桩侧阻力承担，传递到嵌岩部分的力就 特性、成桩工艺（有无沉渣）等，一律把嵌岩 桩有时并不是单纯的端承桩，可以是摩擦 很小，这时就呈摩擦桩性状；当上覆土层较 薄，且主要为软土，能提供的桩侧摩阻力较 为有限时，在在极限承载力状态下，桩顶荷 载主要由桩端阻力承担，这时就呈端承桩 性状。 由于嵌岩桩的荷载一一沉降性状受多种 因素影响，很难作出准确的预计。因而我们 只能对嵌岩桩的承载性状进行基本分析。 嵌岩桩的桩顶沉降主要由二部分组成：一 是桩身混凝土的弹性压缩；二是桩底基岩 的应变。这二种分量的相互关系受荷载传 递机理的支配。施加在桩顶的荷载通过桩 端阻力和桩侧阻力传递给桩周的土体和桩 ａ嵌岩桩 底的基岩，（其中桩侧阻力包括桩周土体侧 ｂ非嵌岩桩 阻力和嵌岩段侧阻力），桩底基岩和桩周土 图１桩身轴力随深度变化典型曲线 体应变的相对大小，决定着桩端阻力和桩 桩身轴力（ＭＮ） 侧阻力的发挥程度。各位移分量的大小取 桩身轴力（ＭＮ 决于桩的几何形状、荷载大小、成桩工艺及 桩底基岩桩周土体和桩身混凝土的弹性模 量。 对于深长的大直径钻孔嵌岩桩，其承载 特性与非嵌岩桩的荷载传递规律也相似【］】， 图ｌ为钻孔灌注桩的桩身轴力随深度变化曲 线（覆盖层为冲洪积相的粘性土和砂土，嵌岩 深度２．２ｍ）。从图中可看出，增加了桩长，嵌 入了岩石，但承载力并没有显著提高；桩身 深度（ｍ） 漂鹿（ｍ） （ａ） ｆｈ Ｊ 荷载（轴力）随深度明显地减小，说明侧摩阻 ａ嵌入强风化岩 ｂ嵌入新鲜基岩 力得到了比较充分地发挥，而基岩的端承 图２嵌岩桩荷载传递典型曲线 作用未得到有效的利用；嵌岩与不嵌岩的 条件并不影响侧摩阻力的发挥。因此，深长 ①作者简介：肖辉椿（１９７０一），男（汉族），福建三明人，工程师，现从事水工环地质工作。 的大直径钻孔嵌岩桩为摩擦桩，而非端承 ９８ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 工业技术 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 。 圆 桩，但应注意嵌岩段具有较高的侧阻力，嵌 人中微风化或新鲜基岩不会明显改变桩的 大量实测资料表明，嵌岩桩的端阻力 岩的主要作用在于发挥其桩侧阻力，而不 承载性状，上部荷载主要由桩侧摩阻承担， 与侧阻力之比并不接近于１．０，根据国内外 在其端阻力。图２为桩进入新鲜岩石和强风 属于摩擦桩。当长径［：ｇＬ／ｄ接近１００时，桩湍 １５０根嵌岩桩的实测资料。（其中国内３９根， 化岩的荷载传递曲线，从图中可看出，荷载 土性质的影响几乎为零。 国外１１１根；无覆盖层２０根，有覆盖层ｌ ３０根， （轴力）均随深度递减，且两者端阻力都比较 （６）对于嵌入软质基岩，桩周为均匀硬 长度１＝３．Ｏｍ～５５．Ｏｍ，直径ｄ＝Ｏ．５ｍ～８．Ｏｍ， 小。 土层且长径［ｇＬ／ｄ较大的嵌岩桩。桩侧阻和 Ｌ／ｄ＝１～６３．７），给出了嵌岩桩在竖向荷载 一般来说，嵌岩桩的承载性状具有如 端阻充分发挥所需的极限相对位移同桩周 下端阻分担荷载比Ｑ ／Ｑ 与桩的长径比Ｌ／ 下特性。 土体和桩底基岩的强度有关，强度越高所 ｄ之间的关系。当Ｌ／ｄ从１增加至２０时，Ｑ 。／ （１）对于粗短、清底良好的嵌岩桩（Ｌ／ｄ 需的极限位移越小，强度越低则所需的极 Ｑ 自１００％随Ｌ／ｄ增大而递减至大约３０％；Ｌ／ ≤５），且嵌岩不深（嵌岩深径ｋｋｄ ／ｒ ＜０．５）， 限位移越大。当桩底基岩较软，长径比较大 ｄ当从２０增大至６３．７时，Ｑ ／Ｑ 一般不会超 端阻力才先于上覆土层的侧阻力发挥，且 时，桩顶荷载作用下，桩身位移相对较大， 过３Ｏ％，其中大部分桩在２Ｏ％以下，不少桩 端阻力起主要作用，其承载特性属端承桩。 桩周土体强度较高时，其发挥极限侧阻所 在５％以下。与此相对应，桩的侧阻力（严格 还有如考虑到冲刷的影响而忽略全部土层 需位移相对较小，故桩侧阻力首先达到极 地说应包括侧阻力和嵌固力）大约在Ｌ／ 的侧阻力的桥梁嵌岩桩，其也属端承桩范 限值，此时桩端阻力尚未达到极限值，这种 ｄ ｌ０～２０时开始起主要作用，侧阻分担荷 畴。 嵌岩桩，其端阻只占桩总承载能力的一部 载Ｊ：￣Ｑｓｋ／Ｑｕｋ随Ｌ／ｄ增大而增大，一般保持 （２）当桩端持力层为中风化硬质岩（如 分，可称为端承摩擦桩（侧阻占大部分）或摩 在７Ｏ％以上，大部分在以上８０％，不少桩在 花岗岩）和微风化软质岩（如砂岩），且长径 擦端承桩（端阻占大部分）。 ９５％以上，这是因为桩身的弹性压缩变形就 ｌ：￣Ｌ／ｄ≤ｌＯ冲钻孔桩和长径￣ｇＬ／ｄ≤ｌ２的人 （７）对于嵌入硬质基岩，当混凝土桩的 足以使侧阻力得到发挥。 工挖孔桩，嵌岩桩可按端承桩考虑。 孔底沉渣较厚，因嵌岩桩存在“软垫”效应， 侧阻力占很大比例的原因有三点。 （３）沿海地区、大面积深厚填土区或自 桩的承载性状表现为摩擦桩或摩擦端承桩 （１）较长的桩受荷后桩身的弹性压缩量 重湿陷性黄土地区，当长径比Ｌ／ｄ￣Ｅ较大， （当沉渣较薄时）。 比较大，桩土之间相对位移也比较大，足以 而桩侧处于厚层软土中（如欠固结淤泥）或 １．１嵌岩桩侧摩阻力 使侧阻得以发挥。 自重湿陷性黄土、松散填土时，则将产生负 嵌岩桩的荷载传递特征是荷载首先通 （２）由于施工工艺的，桩底沉渣很 摩阻力的情况。其承载力主要靠嵌岩段侧 过侧阻力传递于嵌岩段侧壁，在产生一定 难清除干净，桩愈长，沉渣愈难清除，沉渣 阻和端阻承担，嵌岩桩可按端承桩考虑。 的剪应变后，一部分荷载才传递到桩底。由 的压实使桩身位移，提供了侧阻发挥的条 （４）对于长径［￣Ｌ／ｄ＞１ ５－２０的泥浆护壁 于嵌岩段的单位侧阻力比土层高很多，因 件。 冲钻孔灌注桩，无论嵌入风化岩还是完整 而端阻力所占的比例很低。嵌岩桩侧摩阻 （３）由于岩石与桩的连接是脆性的，在 基岩中，其荷载传递具有摩擦型桩的特性， 力在几个毫米时就可以发挥 】，桩身的压缩 较小的位移条件下嵌固段的阻力就可以达 一般端承桩所占比例不超过２０％，属于摩擦 量很容易达到毫米级，就足以发挥侧摩阻 到峰值，而且先于土的侧阻力得到发挥，嵌 型桩。 力，因此，荷载是从桩顶依次向下传递，桩 固深度愈深，端阻力的比例愈低。 （５）当长径［ｇＬ／ｄ≥４０，且覆盖层为非软 顶的荷载大部分被侧摩阻力所平衡，传给 １．２嵌岩端阻力 弱土层时，嵌岩桩的端承作用较小，桩端嵌 桩端的荷载就剩下不多了。 嵌岩桩可采用机械钻孔或人工挖孔方 法成孔，将桩嵌入岩体内一定的深度。嵌入 基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复 杂，嵌岩段的嵌固力与底部的端阻力发挥 的过程是不同的。嵌岩桩的端阻力与桩的 极限承载力之比随嵌岩深径比（桩嵌入中 一 ［ 或微风化岩体的深度与桩径之比）增大而 、 急剧减小，侧阻力与深径比的关系不大；桩 嵌岩越深，端阻力的贡献越小；与一般的观 念正好相反。 图３所示为不同桩、岩刚度［ＬＥ ／Ｅ （Ｅ 一 桩身弹性模量、Ｅ－岩石弹性模量）干作业条 件下，桩端分担荷载ｋｋＦ ／Ｆ，（Ｆ 一总桩端阻 图３嵌岩端阻力与深径比的关系 力、Ｆｆ－岩面桩顶荷载）随着嵌岩深径比ｄ ／ｒ （引自Ｐｅｌｌｓ ａｎｄ Ｔｕｒｎｅｒ，１ ９７９） 的变化。从图中看出，桩端总阻力Ｆ 随Ｅ ／Ｅ 表１嵌岩段侧阻系数和端阻系数 嵌岩深径比ｈ ｄ ０ ０．５ １．０ ２．０ ３．０ ４．０ ５．Ｏ ６．Ｏ ７．０ ８．０ 椒软岩 侧阻系数［ ｆ） ０．Ｏ ２ ０．０５６ ０．０５６ ０．《）３４ ０．０５ｌ ０．（）４８ （１．０４５ ０．０４２ 【）．｛１４０ 软岩 端阻系数‘ ０．６０ （）．７０ ０．７３ Ｏ．７３ ０．７０ ０．６６ Ｏ．６１ ０．５５ ０．４ｇ ０．４２ 较硬岩 删阻系数［ Ｏ ０．０４＞ 《｝＿０４８ ０．Ｏ４５ ０．０４０ 坚硬岩 端阻系数［ ０．４５ ０．５（１ （）．５Ｏ ０．４５ ０．４０ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ９９ 工业技术 增大而增大，随深径比增大而减小。 深度；Ｃ，、Ｃ 为系数，根据岩石破碎程度和清 研究［Ｊ】．岩土工程学报，ｌ９９４（４）． 的试验研究…．岩土工程学报，ｌ９９４（６）． 与非嵌岩桩承载性状的比较研究【Ｊ］．建 筑结构，１９９８（１１）． 灌注桩的实践【Ａ】．结构与地基国际学 术研讨会论文集【ｃ］．浙江大学出版社， １９９４：２２６～２２９． 实测资料说明，当嵌岩深度为３倍桩径 配合，嵌固力占总承载力的７５％以上，可以 农情况决定）均属此类，主要是考虑到冲刷 【２］董金荣等．大口径钻孔灌注桩承载性状 第三类是嵌岩桩的承载力由３部分组 ［３］何开胜，袁文明，彭新宜．大育径嵌岩桩 时，桩的嵌固力与端阻力可以得到很好的 的影响而忽略全部土层的侧阻力。 用最少的工程量获得最佳的承毂效果。当 吱，即上 的…阻力、嵌岩段的侧阻力和端 嵌岩深度超过５倍桩径后，端阻力反而趋近 阻力，如《建筑桩基技术规范））（ＪＧＪ９４－９４）、 基技术规范》０最佳嵌岩深度为０．５～１倍桩 于零… （端阻系数‘ ＝０）。新修汀的《建筑桩 Ⅸ高层建筑岩上工程勘察规程》（ＪＧ Ｊ７２— 【４】施峰，柳春．福州软土地区大直径超长 ２００４）和《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》 径，当嵌岩深度超过３倍桩径后，端阻力不 （ＪＴＪ２８５～２０００）。其端阻力和嵌岩段的侧阻 计（端阻系数＜ ＝Ｏ），见表１。文献［６１指出：对 力都与岩石的饱和单轴抗压强度建立联 于大直径超长钻孔灌注桩，若桩端嵌岩条 件较好时，其承载特性表现为端承摩擦桩， 端承力约占荷载的２０％，同时，加大嵌岩段 的深度对提高承载力的效果不是很明显， 可。当基岩为硬质岩时，由于桩身混凝土强 系，用经验的计算系数表示。同时，高规 ［５】张耀年等．福州大直径灌注桩的荷载传 （ＪＧＪ７２—２００４）给出了嵌岩桩岩石极限侧阻 力和极限端阻力值取值范围。 桩基规范（ＪＧＪ９４—９４）给出的嵌岩桩承 Ｑ ｋ Ｑ。ｋ＋Ｑｒｋ＋Ｑ。ｋ 递性能【Ｊ］．岩土工程学报，１９９０（５）． 【６】施峰．大直径超长钻孔灌注桩的承载性 状研究［Ａ】．福建建筑技术研究——福建 通常嵌入到中微风硬质岩０．５倍的桩径即 载力估算式： 省建筑科学研究院４５周年院庆论文集 【ｃ】．北京：中国建筑工业出版社，２００３： ７～１２． 度与岩石抗压强度相当，因此，一味采用扩 红层（软质岩）中，最佳嵌岩深度为３倍桩径， 最大嵌岩深度为５倍桩径［１０】。 对于端承型或摩擦端承型的嵌岩桩， 式中：Ｑ．． ．为嵌岩桩单桩竖向承载力标 嵌岩段总极限侧阻力标准值；Ｑ 为总极限 端阻力标准值。 大桩端，只会造成浪费及施工难度加大。而 准值；７】蔡来炳．高应变动力试桩法分析嵌岩桩 Ｑ 为土的总极限侧阻力标准值；Ｑ 为 【的承载特性［Ａ］．福建建筑技术研究—— 福建省建筑科学研究院４５周年院庆论 文集【Ｃ】．北京：中国建筑工业出版社， ２００３：１４４～１４７． 由于岩体的侧阻和端阻都很高，应适当提 ３结语 高砼强度等级及其配筋率，以尽可能发挥 基岩的作用。 （１）嵌岩桩可表现为端承及摩擦两种不 ［８】刘金砺．桩基础设计与计算【Ｍ］．北京： 同的承载性状，不应将嵌岩桩一概视为端 承桩。它可以是摩擦端承桩、端承摩擦桩， 中国建筑工业出版社，１９９０：８５～９５． ［９］史佩栋，等．深基础工程特殊技术问题 ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００４：４０１～ ４１２． ２嵌岩桩承载力的计算模式 第一类是只计桩端阻力，其端阻力的 甚至是摩擦桩，在工程设计中应根据实际 嵌岩桩承载力计算模式大体分成三类Ⅲ 目。 情况，具体判定嵌岩桩的承载特性。 确定方法是将岩石饱和单轴极限抗压强度 ￣ｔ（Ｌ／ｄ）的增大而增大；当桩的长径比较大 乘以某一折减系数，只符合支承于基岩表 （Ｌ／ｄ＞２０），而覆盖层又不太软弱的情况下， 面的短粗桩的承载力性状，如《建筑地基基 （２）嵌岩桩侧摩阻力的分担比例随长径 ［１０］侯龙清等．红层嵌岩桩承载性状试验研 究［Ｊ］．工程勘察，２００５（６）． ［１ ｌ】建筑桩基技术规范（ＪＧＪ９４—９４）［Ｓ】．北 京：中国建筑工业出版社，ｌ９９５． 侧阻力分担荷载比Ｑ ／Ｑ ． 都超过了７Ｏ％， 础设计规范））（ＧＢＪ７－８９）。《建筑地基基础设 大部分在８０％以上，端阻力分担荷载的比 【１２１建筑地基基础设计规范（ＧＢ５０００７—２００２） 计规范））（ＧＢ５０００７—２００２）延续ＧＢＪ７—８９规 例很小。 范，按端承桩设计，给出的嵌岩桩承载力估 算式： Ｒ Ａｐ ［Ｓ】．北京：中国建筑工业出版社，２００２． （３）嵌岩桩的端阻力与桩的极限承载力 之比随嵌岩深径比增大而急剧减小，桩嵌 【１３】铁路桥涵地基和基础设计规范（ＴＢ１０００２． ５～２００５）［Ｓ】．北京：中国铁道出版社，２００５． ８５）［ｓ］．北京：人民交通出版社，１９８５． 岩越深，端阻力的贡献越小；侧阻力与深径 ［１４】公路桥涵地基与基础设计规范（ＴＪＴ０２４— 式中：Ｒ。为嵌岩桩单桩竖向承载力特征 比的关系不大。最佳嵌岩深度：中一微风硬 值；ｑ 为桩端岩石承载力特征值；Ａ 为桩底 质岩０．５～ｌ倍桩径，软质岩为２～３倍桩径。 端横截面面积。 ［１５】高层建筑岩土工程勘察规程（ＪＧＪ７２— ２００４）［Ｓ】．北京：中国建筑工业出版社， ２０ｏ４． （４）对于端承型或摩擦端承型的嵌岩 其只计端阻力，而不计侧阻、嵌岩阻 桩，由于岩体的侧阻和端阻都很高，应适当 混凝土强度，设计以桩身强度控制，不必再 挥基岩的作用。 力，主要是考虑到硬质岩的强度超过桩身 提高砼强度等级及其配筋率，以尽可能发 ［１６１港口工程嵌岩桩设计与施工规程 （ＪＴＪ２８５—２０００）［Ｓ】．北京：人民交通出版 社，２００１． 计入侧阻、嵌岩阻力等不定因素，简化计 算。 （５）在具体工程实践中，应根据嵌岩桩 的承载特性，按相应的计算模式正确估算 第二类是嵌岩桩的承载力只计嵌岩部 嵌岩桩单桩承载力。 分的侧阻力和端阻力，不计覆盖土层的侧 阻力。如《铁路桥涵地基和基础设计规范》 注释 （ＴＢ１０００２．５－２００５）和《公路桥涵地基与基 ①高大钊，全国岩土及桩基工程技术研讨 会报告，福建厦门，２００６． 础设计规范））（ＴＪＴ０２４—８５）给出的嵌岩桩承 载力估算式： ｛Ｐ３＝Ｒ（ＣｔＡ＋Ｃ２ｕｈ） 式中：［Ｐ］为桩的容许承载力；Ｒ为岩石 ②中华人民共和国行业标准．建筑桩基技 术规范（报批稿），２００８． 单轴抗压强度；Ａ为桩底截面面积；Ｕ为桩 参考文献 嵌入基岩部分的截面周长；ｈ为桩嵌入基岩 【１］史佩栋，梁晋渝．嵌岩桩竖向承载力的 Ｏ０ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
